分析物理問題的基本步驟

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分析物理問題的基本步驟

　　【關鍵詞】物理問題;模型;過程; 分析

分析物理問題的基本步驟

　　【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】B【文章編號】1001-4128(2011)03-0142-01

　　一個物理問題，都有一定的物理情景，涉及一定的物理過程，要想正確地解答物理問題，必須把有關的物理內容分析清楚。一般說來，分析一個物理問題的基本步驟如下：

　　1 選取研究對象

　　不論是力學問題、熱學問題，電學問題或其他問題，都有一個選擇和確定研究對象的問題。研究對象可以是一個物體，也可以是一個物體系(兩個或多個相關聯的無論組成的系統)。有的物理問題始終都是一個研究對象，而有的問題在不同階段應該選取不同的研究對象。可以說：研究對象選取的恰當與否直接關系到我們解決物理問題的難易程度，正確選取研究對象，能提高解題的準確性和效率。

　　例1：一架直升飛機質量為m，懸停在空中，槳翼下風速為v，求它的發動機的輸出功率P。

　　該題容易出現的錯誤解法是：

　　由于飛機在空中靜止，因此發動機的輸出功率為

　　P=Fv=mgv

　　錯誤的原因主要是沒有明確研究對象是誰。第一步顯然是以飛機為研究對象，對飛機進行受力分析：受重力G和空氣對它的向上的作用力F，由于飛機懸停， G和F是一對平衡力，這一步是正確的。但下一步則屬于亂套公式了，若以飛機為研究對象，則飛機的速度為零;若以空氣為研究對象，那又是哪一部分空氣呢?

　　正確的分析與解答過程如下：

　　設發動機每秒鐘把質量為的空氣從靜止加速到，發動機對這部分空氣的作用力為F，由動量定理得

　　F×1=Mv

　　根據動能定理，發動機對這部分空氣每秒鐘做功(即功率)為

　　P=12Mv?2

　　又根據牛頓定律及飛機處于平衡狀態知道

　　F=mg

　　即Mv=mg

　　所以，發動機的輸出功率為:

　　P=12mgv

　　2 建立物理模型

　　實際中的物理現象一般都很復雜，為了解決它，常常需要忽略一些次要因素，物理模型就是忽略次要因素的產物，如：質點、點電荷、光滑平面、輕繩、輕彈簧、理想變壓器、彈性碰撞等等，都是理想模型。對一個具體物理問題，在確定了研究對象后，首先要考慮的就是建立怎樣的物理模型。

　　例2：如圖示，質量為m的小車靜止在光滑的水平軌道上，長為L的細線一端固定在小車上，另一端拴一質量也為m的小球。現給小球一水平初速度v，求小球能上升的最大高度h為多少?

　　解析：小球和小車一起的運動可以建立為碰撞模型，當小球上升到最高點時，二者具有共同速度。系統減少的動能ΔE?K全部轉化為小球的重力勢能ΔE?p=m?球gh

　　那么:m?球v=(m?球+m?車)v?共

　　ΔE?K=12m?球v?2-12(m?球+m?車)v?2?共=m?球gh

　　代入m?車=m?球=m,

　　即可求出 h=v?24g

　　3 分析物理過程和狀態

　　狀態是與某一時刻相對應的，過程則與某一段時間相對應。任何一個過程，都有一個初始狀態和一個末狀態(還包括無數中間狀態)，對于某一確定的狀態，要用狀態參量來描述。一個具體的物理問題，簡單的可能只討論某一確定的狀態下各物理量間的關系，復雜的問題則要涉及到物理過程。而對于一個變化方向和路徑都確定了的物理過程，要注意分析這個過程遵循的物理規律，可能它是一個較簡單的過程，始終按同一規律變化;也可能它是一個較復雜的過程，在不同的階段遵循不同的規律。對于一個始、末狀態確定了的物理過程，則可能存在著不止一種的變化路徑。對一個物理問題，如果能把相應的狀態和過程分析清楚，問題一般說來就已基本上解決了。

　　例3：如下圖所示，長為l的輕繩一端系于固定點O，另一端系質量為m的小球，將小球從O點正下方14處以一定的初速度水平向右拋出，經一定的時間，繩被拉直，以后小球在豎直平面內擺動，已知繩剛被拉直時，繩與豎直方向成60°角，求：

　　(1)小球水平拋出的初速度v?0;

　　(2)小球擺到最底點時，繩所受到的拉力F?T。

　　解析：本題的解決思路與上題大致相同，研究對象仍然是小球，建立質點模型，也是一個初、末狀態都確定的過程，但從初狀態A到末狀態C的兩個階段小球共經歷三個不同的過程。即①平拋運動,從A到B;②在B點小球克服繩的拉力做功，速度發生變化;③小球在豎直面內的圓周運動，從A到C。

　　(1)繩被拉直時，小球的水平位移為lsin60°，豎直位移為lcos60°-14l，設初速度為v?0，由平拋運動規律

　　lsin60°=v?0t

　　lcos60°-14l=12gt?2

　　得v?0=3gl/2

　　(2)小球由拋出點到繩剛好被拉直，這一過程機械能守恒，取繩伸直時的速度為v，小球所在位置勢能為零，則有

　　12mv?2+mgl(cos60°-14)=12mv?2

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